Biologische Grundlagen zu COVID-19 – was du wissen solltest

Wichtig: Reatch trägt unter bit.ly/reatchCOVID19 regelmässig aktualisierte Informationen zur Covid-19-Pandemie zusammen.

Eine englische Version des folgenden Artikels ist hier zu finden.

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Was ist ein Virus?

Beginnen wir einmal ganz am Anfang: Viren sind äusserst kleine Infektionspartikel, d.h. Krankheitserreger, die in andere Organismen (sogenannte Wirte) eindringen und dort fortbestehen können. Sie befallen Tiere und Menschen, sind aber auch fähig andere Lebensformen wie Bakterien oder Pflanzen zu infizieren [1]. Viren bestehen meist lediglich aus Erbinformation (DNA [a] oder RNA [b]), umhüllt von einer Schutzhülle [2] (siehe Abbildung 1). Sie sind viel kleiner als Bakterien und können sich im Gegensatz zu ihnen nur mithilfe eines Wirts reproduzieren. Es ist umstritten, ob es sich bei Viren um Lebewesen handelt oder nicht [3]. Klar hingegen ist, dass sie sich wie andere Parasiten nach der Infektion des Wirtsorganismus vermehren und dadurch Schaden anrichten können.

Wie wird ein Virus übertragen?

Es gibt verschiedenste Übertragungswege für Viren innerhalb einer Wirtspopulation und selbst die Übertragung zwischen zwei Arten, also z.B. vom Tier auf den Mensch, ist möglich [7]. Die relevantesten Übertragungswege für den Menschen sind der direkte Austausch von Körperflüssigkeiten (Übertragungsweg von z.B. HIV [c]), die Aufnahme über kontaminierte Nahrungsmittel, die Luftübertragung oder via Insekten wie z.B. Stechmücken [8]. Die Tröpfcheninfektion ist eine Form der Luftübertragung: Durch ungeschütztes Husten oder Niesen gelangen die Viren dabei von den Atemwegen in die Umgebung und können über die Schleimhäute im Gesicht von Mund, Nase und Augen anderer Personen aufgenommen werden [9]. Die Grippe- sowie Coronaviren werden primär via Tröpfcheninfektion verbreitet [10]. Eine weitere Möglichkeit für eine Infektion mit dem Coronavirus ist der direkte Kontakt mit kontaminierten Oberflächen und anschliessender Übertragung mit den Händen auf die Schleimhäute im Gesicht [10].

Weshalb lösen gewisse Viren Krankheiten aus?

Zu den meist verbreiteten Krankheiten, welche durch Viren ausgelöst werden, zählen u.a. die saisonale Grippe (ausgelöst durch den Influenzavirus), AIDS [d] (ausgelöst durch den HI-Virus) oder eben COVID-19 (Corona Virus Disease 2019) ausgelöst durch den Virus SARS-CoV-2 (SARS [e] Corona Virus 2) oder kurz «Coronavirus». Dabei ist zu beachten, dass es sich z.B. beim Begriff COVID-19 um die durch den SARS-CoV-2 hervorgerufene Krankheit und nicht um den Virus selbst handelt. Einzelne Viren lösen i.d.R. eine spezifische Krankheit aus, deren Symptomatik mit den Eigenschaften des Virus sowie des Wirts zusammenhängt. Aber weshalb lösen Viren überhaupt Krankheiten aus?

Nachdem die Viren in den Wirtsorganismus eingedrungen sind, werden sie zu verschiedenen Körperzellen transportiert. Durch spezifische Interaktionen zwischen Bestandteilen der Schutzhülle der Viren und der Oberflächenbeschaffenheit gewisser Wirtszellen, befällt der Virus aber nur bestimmte Zelltypen und Wirtsorganismen [11]. Für die Vermehrung im Zellinnern wirft der Virus seine Schutzhülle ab, um sein Erbmaterial in der Zelle freizusetzen. Nun geschehen zwei Dinge mit dem freigesetzten Erbmaterial: Erstens wird die virale Erbinformation selbst vervielfältigt und zweitens wird die Information verwendet, um neue Schutzhüllen zu produzieren. Die vielfach multiplizierte Erbinformation wird nun in die ebenfalls neu hergestellten Schutzhüllen verpackt. Die so vervielfachten Viruskopien verlassen dann die Zellen, um weitere Zellen zu infizieren. Beim Austritt der Viren aus der Zelle werden die infizierten Zellen meist zerstört. Diese Zerstörung der Wirtszellen stellt einen der Gründe dar, weshalb gewisse Viren Krankheiten auslösen können [12]. Der HIV greift beispielsweise wichtige Immunzellen an, was zu einem Defizit im Immunsystem während des Krankheitsverlaufs von AIDS führt [13]. Influenzaviren befallen hingegen Zellen im Mund, der Nase oder der Kehle. Das Resultat: Husten, laufende Nase und Halsentzündungen [14]. SARS-CoV-2 greift spezialisierte Lungenzellen an [15], was bei COVID-19 zu ähnlichen Erstsymptomen wie bei einer Grippe führt, nämlich Fieber, trockener Husten, Unwohlsein und Ermüdung. Zusätzlich kann es bei COVID-19 zu erhöhter Speichelproduktion und Kurzatmigkeit kommen [16]. Das Fieber wird durch das Immunsystem als Abwehrmechanismus vom Körper hervorgerufen. Im weiteren Verlauf der Krankheit kann eine schwere Atemnot auftreten und sich eine Lungenentzündung entwickeln [17].

Trotzdem sind bei weitem nicht alle Viren für uns gefährlich. Es gibt Viren, die z.B. lediglich Bakterien befallen und harmlos oder sogar positiv für uns sind, indem sie uns einen Schutz vor pathogenen Bakterien bieten [18,19]. Zudem führt nicht jede Vireninfektion garantiert zum Ausbruch der assoziierten Krankheit. Viren sind nämlich in ständigem «Kampf» gegen das Immunsystem und die Virenkrankheit bricht erst nach genügend hoher Virenreproduktion und dem «Sieg» über das Immunsystem aus.

Wie entsteht ein neuer Virus?

Bei der intrazellulären Vervielfältigung des viralen Erbmaterials können Fehler passieren, sogenannte (genetische) Mutationen. Diese führen zu einer Veränderung der viralen Baupläne wodurch sich Viren unter Umständen weiterentwickeln. Indizien weisen darauf hin, dass SARS-CoV-2 in China auf einem grossen Wildtiermarkt in der Region Wuhan zum ersten Mal gegen Ende 2019 im Menschen aufgetreten ist. Es ist wahrscheinlich, dass der Vorläufervirus von SARS-CoV-2 dort in einem tierischen Zwischenwirt mutiert ist und «gelernt» hat Menschen zu infizieren. Der so entstandene SARS-CoV-2 ist bereits der siebte bekannte Virus der Corona-Viren Familie, der den Menschen infiziert. Andere Mitglieder dieser Virenfamilie haben sich ebenfalls in einem Zwischenwirt entwickelt und lösten u.a. die MERS [f] Epidemie (2019) sowie die SARS Pandemie (2002/2003) aus [20,21,22].

Warum hat sich COVID-19 so schnell verbreitet?

Verschiedene epidemiologische Gegebenheiten, wie der Ausbruchsort und die globale Vernetzung, haben dazu geführt, dass sich COVID-19 innert kürzester Zeit von einer Epidemie in eine globale Pandemie ausweiten konnte. Von einer Epidemie spricht man, wenn eine Krankheit in einem begrenzten Verbreitungsgebiet bei einer grossen Anzahl von Menschen ausbricht. Sobald sich eine Krankheit in grossem Massstab länder- und kontinentenübergreifend ausbreitet, spricht man von einer Pandemie [23]. Epidemie und Pandemie sind Begriffe der Epidemiologie, welche sich mit dem Gesundheitszustand einer gesamten Bevölkerung befasst und gewisse Kennzahlen bestimmt, mit welchen sich u.a. die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer solchen Erkrankung beschreiben lässt.

Ein Hauptgrund warum sich COVID-19 so schnell verbreiten konnte, ist, dass die Anzahl infizierter Personen exponentiell ansteigt, wenn sich Virenkrankheiten ungehindert verbreiten können [24]. Das exponentielle Wachstum ist vereinfacht ausgedrückt extrem schnell und direkt von einer epidemiologischen Kennzahl abhängig: Der Reproduktionszahl, genauer Basisreproduktionszahl R0 oder auch Grundvermehrungsrate. Sie gibt an, wie viele Menschen eine erkrankte Person im Durchschnitt ohne besondere Kontrollmassnahmen infiziert. Ein Beispiel: Die Reproduktionszahl beträgt 10, wenn eine infizierte Person im Durchschnitt 10 weitere Personen ansteckt [25,26]. Jeder dieser Infizierten steckt dann erneut 10 Personen an und so weiter. Somit wären nach nur sechs Ansteckungsrunden, ausgehend von lediglich einem Erkrankten, bereits eine Million Personen infiziert. Ausserordentlich ansteckend sind die Masern, bei denen die Reproduktionszahl gemeinhin auf 12 bis 18 geschätzt wird [27]. Bei der saisonalen Grippe liegt die Reproduktionszahl bei ca. 1.2 [28] und bei SARS-CoV-2 gehen die aktuellsten Schätzungen von einer durchschnittlichen Reproduktionszahl von ca. 3.2 aus [29].

Weitere Gründe für die rasche Ausbreitung von COVID-19 sind die folgenden:

1. Symptomatik: Die Symptomatik ist unterschiedlich stark ausgeprägt und fällt teilweise, vor allem bei Jüngeren, milde aus [30]. Erkrankte sind somit nicht unbedingt bettlägerig und können das Virus verbreiten oder sogar reisen, falls sie nicht isoliert werden. Wichtig zu betonen ist, dass es Hinweise dafür gibt, dass Patienten schon vor dem Einsetzen von Krankheitssymptomen infektiös sind und unbemerkt weitere Personen anstecken können. Die Pandemie lässt sich daher auch nicht durch blosses Isolieren der symptomatischen Personen eindämmen [38].
2. Übertragungsart: SARS-CoV-2 wird via Tröpfcheninfektion über die Luft verteilt [10]. Diese Übertragungsart ist sehr effizient, da kein direkter Körperkontakt notwendig ist und trägt zur schnellen Verbreitung des Virus bei.
3. Inkubationszeit: Die Inkubationszeit beschreibt die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt der Infektion und dem Ausbruch einer Krankheit bzw. dem Auftreten von Symptomen. Die mögliche Inkubationszeit wird im Median auf 5-6 Tage, geschätzt [31], kann bei einigen Infizierten aber auch bedeutend länger sein [32]. Da Infizierte während dieser Zeit schon ansteckend sein können, trägt dies stark zur Ausbreitung des Virus bei. Vermeintlich Gesunde können den Virus verbreiten, ohne dass sie symptomatisch auffällig sind [33].
4. Ausbruchsort: Der angenommene Ausbruchsort Wuhan ist eine Millionenstadt in China, wo Menschen dicht aufeinander wohnen. Somit konnten bereits zu Beginn sehr viele Menschen in kurzer Zeit angesteckt werden.
5. Globale Vernetzung: Die globale Vernetzung mit dem internationalen Flugverkehr führte dazu, dass infizierte Personen den Virus innerhalb kurzer Zeit auf der ganzen Welt verteilen konnten.

Wie kann man sich vor Viren schützen?

Grundsätzlich gibt es die folgenden Wege, um sich gegen krankmachende Viren zu schützen:

1. Desinfektion - das Abtöten von Viren ausserhalb des Körpers mit Desinfektionsmitteln.
2. Impfung – das Vorbereiten des Immunsystems auf einen spezifischen Virus.
3. Antivirale Medikamente – das Stoppen der Vervielfältigung des Virus im Körper mithilfe von Arzneimitteln.
4. Präventivmassnahmen – die Verhinderung einer Infektion durch die Einhaltung verschiedener Kontrollmassnahmen.

Desinfektion beschreibt die Reduzierung der Infektionspartikel (z.B. Viren) auf eine Anzahl, bei der keine Infektionsgefahr mehr besteht [34]. Die meisten viralen Desinfektionsmittel wirken, indem sie die Schutzhülle des Virus beschädigen. Ohne Schutzhülle kann der Virus nicht mehr in die Organismen oder Wirtszellen eindringen [12]. Die Hülle von SARS-CoV-2 wird zum Beispiel durch Alkohole oder die in Seife enthaltenen Detergenzien zerstört. Diese Seifenmoleküle dringen in Teile der Hülle ein und zersetzen sie somit [35].

Impfungen bereiten das Immunsystem auf einen spezifischen Krankheitserreger vor, um es bei einer Infektion zu befähigen, eine stärkere Abwehr auszulösen und den Ausbruch der Krankheit zu verhindern. Bei dieser aktiven Immunisierung des Körpers werden meist abgeschwächte oder nicht mehr aktive Krankheitserreger injiziert. Das Immunsystem merkt sich dadurch die Struktur des injizierten Krankheitserregers. Dringt nun der Krankheitserreger, gegen den man zuvor geimpft wurde, ein, ist das Immunsystem bereits vorbereitet und eine verstärkte Immunantwort wird hervorgerufen, die den Krankheitsausbruch unterdrücken kann [36]. Impfungen sind sehr sicher und effektiv; die Masern werden z.B. nach einer Immunisierung mit einer Wahrscheinlichkeit von 97% abgewehrt [37]. Es gibt zurzeit jedoch noch keinen Impfstoff für COVID-19.

Antivirale Medikamente werden angewendet, um virale Infektionen zu behandeln. Sie zerstören die Viren jedoch nicht, sondern hemmen lediglich deren Vermehrung. Antibiotika sind übrigens nur gegen Bakterien wirksam und wirken somit nicht gegen Viren [38]. Für COVID-19 gibt es zurzeit noch keine spezifischen Behandlungsmethoden, aber es werden bereits für andere (Viren-)Krankheiten zugelassenen Medikamente untersucht, wie z.B. Remdesivir (für Ebola zugelassen), die möglicherweise ebenfalls wirksam sind gegen die Reproduktion von SARS-CoV-2 [39]. Ausserdem wird in Rekordgeschwindigkeit an neuen Medikamenten und Impfstoffen geforscht [40].

Präventivmassnahmen verhindern Infektionen durch richtiges Verhalten. Sie sind auf der Homepage des Bundesamtes für Gesundheit (BAG) beschrieben und hier lediglich kurz zusammengefasst. Die effektivsten Massnahmen: Abstand halten («Social Distancing») und Hygieneregeln beachten! Durch den Abstand von ca. 2 Metern zu anderen Personen kann sich der Virus kaum mehr via Tröpfcheninfektion, die eine beschränkte Reichweite hat, verbreiten [10]. Zu den Hygienemassnahmen zählen: Die Hände gründlich mit Seife waschen (desinfizieren), speziell nach Kontakt mit (potenziell) kontaminierten Oberflächen. Zusätzlich sollte man sich nicht mit ungewaschenen Händen ins Gesicht fassen. Da die Abstandregelung bei den meisten Arbeitsorten nur bedingt umsetzbar ist, empfiehlt das Bundesamt für Gesundheit zurzeit, wenn immer möglich von zu Hause aus zu arbeiten. Das bedeutet aber nicht, dass man 24 Stunden zu Hause sitzen muss. Spaziergänge alleine oder mit den Mitbewohner*innen in der Natur sind – wenn die Abstands- und Hygieneregeln eingehalten werden – weiterhin möglich. Persönliche Treffen sowie Besuche sollte man jedoch unbedingt vermeiden.

Wie wichtig ist «Social Distancing»?

«Social Distancing» (Deutsch: soziale – aber sinngemäss eigentlich räumliche - Distanzierung) ist eine der zuvor genannten Präventivmassnahmen. Durch den dabei verringerten räumlichen Kontakt zwischen Menschen, werden im Durchschnitt weniger Leute angesteckt und die Reproduktionszahl einer Krankheit verkleinert sich. Bereits eine Verkleinerung von lediglich 20% der durchschnittlichen Ansteckungsrate, bzw. Reproduktionszahl, bewirkt dabei eine enorme Verlangsamung der Krankheitsausbreitung (siehe Abbildung 2). Nach sechs Wochen ohne eingehaltene Kontrollmassnahmen (orange Kurve), startend von einer einzigen infizierten Person, steigt die Anzahl Infizierter hier auf ca. 60'000 Personen. Im Szenario mit eingehaltenen Kontrollmassnahmen ab Woche drei (blaue Kurve), die die Reproduktionszahl von 2.5 auf 2 senken, bleibt die Infiziertenzahl hingegen unter 5000 Personen nach 6 Wochen.

Die Verlangsamung der Ausbreitungsgeschwindigkeit hat u.a. die folgenden beiden positiven Effekte:

1. Die Anzahl der zu diesem Zeitpunkt angesteckten Personen wird minimiert und das Gesundheitssystem wird somit entlastet (#flattenthecurve). Wenn alle Personen gleichzeitig krank werden, reichen unsere medizinischen Ressourcen nicht aus, um allen Hilfsbedürftigen zu helfen [41].
2. Mithilfe der Massnahmen werden sich viele Ansteckungen zu einem späteren Zeitpunkt ereignen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es zu diesem Zeitpunkt bereits eine Behandlung in Form eines Medikaments oder einer präventiven Impfung geben wird [42].

Wie geht es weiter?

Schon früher haben andere Viren in pandemischem Ausmass die Welt heimgesucht, wie z.B. die spanische Grippe, ausgelöst durch einen Abkömmling der Influenzaviren [43]. Im Unterschied zu früheren Pandemien haben wir heute jedoch den Vorteil des technologischen Fortschritts. Informationen können praktisch ohne Zeitverlust global geteilt werden. So können Forschungsergebnisse verbreitet und Gebiete, die noch nicht vom Virus betroffen sind, im Voraus gewarnt werden. Zudem sind Medizin und Virologie viel fortgeschrittener als z.B. zu Zeiten der Spanischen Grippe. Man versteht heutzutage die Reproduktion von Viren und die damit assoziierten Krankheiten besser und hat bereits viele Medikamente gegen andere Viren entwickelt. Trotzdem brauchen die klinischen Untersuchungen von neuen und auch bereits gegen andere (Viren-)Krankheiten entwickelten Medikamenten eine gewisse Zeit. Denn die Sicherheit und Effektivität dieser Medikamente muss im Kontext der neuartigen Infektionskrankheit gewährleistet werden und die Standardverfahren dieser Beurteilung (sogenannte Blindstudien) sind die schnellsten Methoden, um wissenschaftlich akkurate Aussagen zu generieren [44]. Trotzdem bin ich zuversichtlich, dass früher oder später eine wirksame Impfung oder ein wirksames antivirales Medikament entwickelt wird.

Auch wenn die Auflistung dieser Punkte darauf abzielt zu zeigen, dass auch teilweise Grund zum Optimismus besteht, ist dies nicht als Verharmlosung gedacht! COVID-19 ist nicht zu vergleichen mit der saisonalen Grippe. Es fehlt in der Bevölkerung an Immunität, die bei der Influenza durch Impfungen oder vorhergehender Infizierung gegeben ist. Zudem sind die momentan eruierte Sterblichkeit und Reproduktionsrate bei COVID-19 höher und es gibt noch keine zugelassenen Medikamente oder Impfungen. Die Sterblichkeitsrate wird momentan auf 3-4% geschätzt [29]. Auch wenn die Anzahl der Personen, die aufgrund einer Infektion sterben, somit mindestens 30 bis 40-mal höher ist als bei der saisonalen Grippe, ist die Sterblichkeitsrate im Vergleich zu z.B. Ebola mit 50% [35] trotzdem relativ gering. Die Kennzahl der Mortalität sollte aber momentan noch mit Vorsicht interpretiert werden. Es kann zum Zeitpunkt des Tests nämlich noch keine Aussage darüber getroffen werden, ob die positiv getesteten Patienten die Infektion überleben oder nicht. Somit hinken die gegenwärtig ermittelten Zahlen dem Ausgang des Krankheitsverlaufs hinterher, was die Sterberate zu Beginn einer Epidemie verfälschen kann. Weil die Testkapazitäten für SARS-CoV-2 derzeit limitiert sind und deshalb vor allem Patienten mit starken Symptomen getestet werden, ist die statistische Aussagekraft dieser Kennzahlen noch weiter eingeschränkt [36]. Darüber hinaus ist aus biologischer und epidemiologischer Sicht noch vieles unklar, da es sich beim SARS-CoV-2 um einen neuen Virus handelt [31].

Deshalb nochmal: Wir befinden uns in einem international ausgerufenen Notstand und jeder sollte sich und damit auch Personen in Risikogruppen schützen und das Gesundheitssystem entlasten. Diese Aussage bezieht sich auch auf Personen, welche durch den wirtschaftlichen Schaden oder Versorgungsengpässe, z.B. von Medikamenten, ebenfalls Risiken ausgesetzt werden. Bitte trefft keine unüberlegten Entscheidungen, hortet keine Ware, die anderswo gebraucht wird und helft, wo ihr könnt. Spendet an lokale oder internationale Hilfsinstitutionen und kümmert euch (auf Distanz) um die Risikogruppen. Zudem sollten alle für sich abschätzen, wie sie am besten zum Gemeinschaftsgesundheitszustand beitragen können. Schickt, falls möglich, eure Angestellten ins Homeoffice und bleibt so oft wie möglich zu Hause.

Wenn wir anerkennen, dass wir alle gleichsam von dieser Situation betroffen sind und selbstverantwortungsvoll alle Schutzmassnahmen befolgen, können wir der Situation sogar noch etwas Positives abgewinnen – nämlich die Stärkung des Gemeinschaftsgefühls.

Sieben Schlussfolgerungen

1. COVID-19 ist die Krankheit, die durch den SARS-CoV-2 oder «Coronavirus» ausgelöst wird, indem er sich nach erfolgter Tröpfcheninfektion in spezialisierten Lungenzellen vermehrt.
2. Der Virus hat sich, wie bereits andere der gleichen Virenfamilie zuvor, in einem tierischen Zwischenwirt entwickelt.
3. Der Virus konnte sich durch ein Zusammenspiel von komplexen Zusammenhängen wie der Symptomatik, der Inkubationszeit, des Ausbruchorts, der globalen Vernetzung und der Übertragungsart so schnell verbreiten.
4. Bereits eine geringe Verkleinerung der durchschnittlichen Ansteckungsrate bewirkt eine extreme Verlangsamung des exponentiellen Wachstums der COVID-19 Ausbreitung.
5. Die Krankheit verläuft manchmal milde und kann auch vor Ausbruch der ersten Symptome ansteckend sein. Die Selbstquarantäne ist deswegen auch für asymptomatische Personen wichtig.
6. Bereits gegen andere Krankheiten zugelassene Medikamente werden zurzeit getestet und es wird im Rekordtempo an neuen Medikamenten und Impfungen geforscht.
7. Weder Panik noch eine Verharmlosung der Situation sind angesagt - befolgt die Regelungen des Bundes, helft wo ihr könnt und informiert euch durch zuverlässige Quellen.

Anmerkung des Autors: Es sollte berücksichtigt werden, dass es sich um einen neuen Virus handelt und sich gewisse Erkenntnisse daher noch ändern können. Informationstand vom 03-APR-2020.

Kleines Abkürzungsverzeichnis:

[a] Deoxyribonucleic acid

[b] Ribonucleic acid

[c] Human Immunodeficiency Virus (HI-Virus/HIV)

[d] Acquired Immunodeficiency Syndrome

[e] Severe Acute Respiratory Syndrome

[f] Middle-East Respiratory Syndrome

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